Суперконденсатори для електроніки
Суперконденсатор для електроніки.
Маcintosh – ваш вірний помічник, щоб замовити веб-сайт
Устаткування для різання металу, ножиці гільйотинні
Суперконденсатори для електроніки (частина 1)
Міжнародні експертні бізнес-агентства з дослідження та аналізу нових можливостей для зростання корпорацій в індустрії пасивних електронних компонентів виділяють суперконденсатори (СК) як особливо перспективну групу приладів. На основі комплексного аналізу світового ринку експерти роблять висновок, що завдяки використанню нанотехнологій технічні характеристики СК швидко покращуються, а ціна однієї фаради і одиниці енергії, що запасається, неухильно знижується.
Експерти поділяють світовий ринок за перспективами застосування СК на три основні сегменти: застосування на транспорті, в індустрії та електроніці. З кінця 1970-х років СК знаходять широке застосування в електроніці, прилади якої з підвищенням портативності та мобільності все більше потребують автономних джерел з високою щільністю енергії ρE і потужності ρW.
Що відрізняє СК від кондерів, які ми застосовуємо у повсякденній роботі?
СК перевершують конденсатори інших типів за щільністю ємності ρC, заряду ρQ та енергії ρE. У звичайному плоскому конденсаторі заряд концентрується на звернених одна до одної поверхнях електродів, а енергія електричного поля сконцентрована обсягом міжелектродного проміжку. У СК із двома однаковими електродами, розділеними рідким електролітом, при заряді на гетеропереходах електроліт/електрод формуються подвійні електричні верстви (ДЕС), тобто. шари просторово поділених зарядів різного знака.
На одному електроді ДЕС формують надлишкові електрони та притягнуті до електрода катіони електроліту, а на іншому –позитивно заряджена поверхня електрода та притягнуті до цієї поверхні аніони. Обидва ДЕС з'єднані послідовно через електроліт і концентрують заряд, напругу та енергію. У рідких електролітах ДЕС має товщину до
0,1 нм та високу ємність
10-5 Ф/см2. Пористі електроди суперконденсаторів із внутрішньою поверхнею до ≈107см2/г забезпечують гігантські значення ємності (
100 Ф). Оскільки для катіонів та аніонів електроліту частина досі недоступна, то ρC електродів
25 Ф/р. Принцип радикального зменшення маси хімічного джерела струму рахунок використання додаткового СК продемонстрований на рис. 1.
Для запуску автомобільного двигуна потрібна потужність близько 5 кВт протягом 2 с (10 кДж). Свинцевий кислотний акумулятор масою 1 кг має енергію 100 кДж, що достатньо для 10 пусків, але його потужність лише 0,2 кВт, що у 25 разів менше за потрібну. Тому використовуються акумулятори масою 25 кг. СК масою 0,5 кг запасає 20 кДж та забезпечує потужність 5 кВт, що достатньо для пуску двигуна. Якщо скласти гібридне джерело масою 1,5 кг (акумулятор – 1 кг та СК – 0,5 кг), то за його допомогою можна запустити двигун 10 разів. Оптимальним гібридним джерелом на сьогоднішній день є поєднання, наприклад, літієвого акумулятора та СК.
Експертні агентства відзначають тенденцію заміщення в електроніці танталових та алюмінієвих конденсаторів на СК, які мають вищі значення ρC, ρE та ρW. СК можуть забезпечити роботу різних систем при підвищених імпульсних струмових навантаженнях, тому вони замінюють у ряді випадків хімічні джерела струму. СК мають унікальну комбінацію важливих характеристик. Порівняно з літієвими елементами, до переваг СК відносяться на порядок більша щільність потужності ρW,тривалі терміни зберігання (
10 років), відсутність токсичних і небезпечних компонентів, величезна кількість циклів перезарядки без зміни ємності (до 10 000 000 циклів).
Аналіз тенденцій розвитку мікро- та наноелектроніки показує виникнення потреби в низьковольтних конденсаторах (робоча напруга менше 1 В) у період 2006–2016 років. з рекордно високими частотно-ємними характеристиками. Число додатків СК у міру усвідомлення потенціалу цих приладів постійно зростає. СК мініатюрних розмірів із щільністю ємності ρC більше 10 мкФ/мм3 можуть зайняти нову ринкову нішу:
у споживчому секторі (цифрові камери, ноутбуки, цифрові плеєри, іграшки, e-книги, пульти дистанційного керування);
у виробничому секторі (пульти дистанційного керування, зчитувачі міток товарів, медичні прилади, промислові лазери, транспортні додатки, випрямлячі, джерела безперебійного живлення, детектори диму, системи спостереження та контролю та багато іншого).
Фізичну ідею, реалізовану в СК, озвучено давно. У 1879 р. видатний німецький вчений Г. Гельмгольц (1821-1894) запропонував концепцію подвійного електричного шару для кордону метал/рідкий електроліт. Він представив ДЕС як конденсатор надзвичайно великої ємності (condenser of enormous capacity). Термін "суперконденсатор" (синонім "конденсатор з ДЕС") з'явився на 100 років пізніше. Він відомий як торгова марка (Supercap™) японської корпорації NEC.
Місткість сучасних СК та батарей на їх основі становить 1. 10 000 Ф. Вони мають ультратонку ДЕС (d
1 нм) та гігантські площі A розподілених в об'ємі приладу дисперсних електродів. Як електродні матеріали в СК використовуються пористі речовини з внутрішньою поверхнею до 1000. 3000 м2/р.Місткість СК може бути оцінена за формулою плоского конденсатора: C = = ε0εrA/d, де ε0 = 8,85х10-12 Ф/м, εr = 1 (відносна діелектрична проникність ДЕС).
Товщина ДЕС d залежить від концентрації іонів в електроліті та розміру іонів та для концентрованих рідких електролітів становить 0,5. 1 нм. Тому на гладких електродах поверхнева щільність ємності перевищує 10-5 Ф/см2, а напруженість електричного поля в ДЕС може бути більшою за 107 В/см. Поява СК над ринком електронних компонентів належить до 1978 р., як у Японії за ліцензією випустили СК, використовувані як резервні джерела живлення чіпів пам'яті комп'ютерів. СК мали ємність
1 Ф при робочому напрузі 2,3. 2,7 Ст.
У 90-ті роки СК здобули популярність у зв'язку зі спробами створення гібридних джерел, що забезпечують раціональне енергоспоживання транспортних засобів у перехідних режимах руху (прискорення та рекуперація енергії при гальмуванні). Аналогічні завдання й у інших галузях техніки. Наприклад, автономні мініатюрні системи збору та передачі інформації діють в імпульсному режимі, що вимагає високих рівнів потужності, з чим не справляються батареї та інші джерела слабкості.
СК відносяться до наукомісткої та високотехнологічної продукції. Матеріалознавство, нанотехнології та електрохімія відіграють вирішальну роль у розкритті потенціалу СК (підвищення технічних характеристик та зменшення вартості СК, рис. 2). СК різного типу та призначення виробляються в Азії, США, Європі та Австралії. Основними світовими виробниками СК є AVX (торгова марка Best Cap), Panasonic (Gold Capacitor), Nichicon (EVerCAP), Elna (DYNACAP), NECTokin (Super capacitor), Maxwell (Ultracapacitor), СAP-XX, NESS CAP (NESSCAP).
В Україні ведуться розробки СК (ЕСМА, Троїцьк, ЕЛІТ)Курськ), а "Гіріконд" (С-Петербург) випускає СК під маркою "Іоністор". Ринок СК в Україні фактично ще не склався. Продаються СК малими партіями як вироби спеціального призначення, що замовляються головним чином МО РФ.
ПРИНЦИП РОБОТИ, КОНСТРУКЦІЇ І ТИПИ СК
Існує кілька основних конструкцій СК. У більшості представлених на ринку СК електроди виконані з різних сортів вуглецю нанопористого. Між електродами розташований сепаратор, проникний для іонів водного чи рідкого органічного електроліту (симетрична конструкція, рис. 3). При подачі різниці потенціалів на електродах формуються ДЕС, що утворюються надлишковими носіями протилежної полярності.
Ємності ДЕС електродів C1 та C2 з'єднані послідовно через електроліт, так що загальна ємність СК C = C1C2/(C1 + C2), а при C1 = C2 величина C = C1/2. Для збільшення ємності СК розміри нанопор анода (катода) підбираються так, щоб пори могли входити негативні (позитивні) іони електроліту, що мають різні розміри.
Розроблено ряд електрохімічних конденсаторів асиметричної конструкції, в яких один електрод (зазвичай негативний) виконаний з активованого вуглецевого матеріалу і є ідеально поляризованим, а на іншому електроді в процесі зарядно-розрядного циклу йдуть фарадіївські процеси (неполяризований електрод), що супроводжуються зміною маси електрода і перенесенням через гетерокордон електрод/електроліт.
Місткість позитивного електрода зазвичай більш ніж на порядок перевищує ємність негативного електрода при однакових розмірах. Ємність асиметричного СК визначається ємністю поляризованого електрода: С = С1.
Мал. 4. У тонкоплівковому сегнетоелектричному конденсаторі електричне поле Е займає шар товщиною ≈0,5 мкм (а),СК порівнянної ємності на основі ПСІП електричне поле Е концентрується в шарі завтовшки ≈0,0005 мкм (б)
По електрохімічному поведінці СК можна розділити такі типи:
1. СК з електродами, що ідеально поляризуються (симетричні СК), наприклад, з наступними структурами: Au––30% водний розчин KOH–Au+; C–38% водний розчин H2SO4–C+; Pt-органічний електроліт-Pt +. У таких СК на електродах у робочому інтервалі напруг електрохімічні реакції не протікають, тому за величиною енергії, потужності, температурного діапазону та кількості циклів заряд-розряд вони найближче до оксидно-електролітичних конденсаторів.
2. СК з ідеально поляризованим електродом і неполяризованим/слабополяризованим другим електродом (асиметричні СК), наприклад, з такими структурами: Ag-твердий електроліт RbAg4I5-C+; C–30% водний розчин KOH–NiOOH+.
У конденсаторі з твердим електролітом RbAg4I5 (суперіонним провідником) реакція протікає на катоді: Ag+ + e ↔ Ag0, а в конденсаторі з 30% водним розчином KOH реакція на аноді має вигляд: Ni2+ – e ↔ ↔ Ni3+. Ці реакції накладають дифузійні та кінетичні обмеження на швидкість зарядки та розрядки СК, тому за своїми характеристиками асиметричні СК ближчі до акумуляторів, ніж до симетричних СК.
За типом використовуваних як електролітів матеріалів СК можна розділити на такі групи:
з урахуванням біологічних об'єктів.
Полімерні електроліти є розчинами солей в полімері. На макроскопічному рівні такі речовини поводяться як тверді тіла, що забезпечується контактними взаємодіями макромолекул полімеру, але в мікроскопічному рівні демонструють риси поведінки рідин. В даний час найбільш часто використовуються полімерні тверді електроліти,окису поліетилену, що утворюються при змішуванні, і таких солей, як LiClO4, LiAsF6, LiCF3SO3 та ін.
Застосування СК на основі твердих електролітів забезпечує низку переваг. Для електроніки важлива можливість створення тонкоплівкових СК із використанням мікроелектронних технологій. Перспективно використовувати в СК високопровідні тверді електроліти - так звані передові суперіонні провідники (ПСІП) - речовини з рекордно високим рівнем іон-транспортних характеристик.
СК на основі ПСІП можуть конкурувати з високоємними конденсаторами на основі сегнетоелектричних матеріалів. У СК з урахуванням ПСИП, як і в СК з рідкими електролітами, енергія електричного поля запасається в ДЕС молекулярної товщини. Витоки конденсаторів, що викликаються проникаючими іонізуючими випромінюваннями, підвищуються зі збільшенням об'єму, займаного електричним полем (рис. 4).
Радіаційно-стійкі високоємні СК необхідні для створення електроніки та об'єктів нано- та мікросистемної техніки, призначених для роботи в умовах сильних космічних випромінювань та на територіях з високими концентраціями радіонуклідів. Плівкові СК на основі ПСІП повинні значно перевершувати сегнетоелектричні конденсатори за радіаційною стійкістю.